JP2897330B2

JP2897330B2 - マーク検出装置及び露光装置

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Publication number: JP2897330B2
Application number: JP2091696A
Authority: JP
Inventors: 範行見留
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-04-06
Filing date: 1990-04-06
Publication date: 1999-05-31
Anticipated expiration: 2014-05-31
Also published as: US5172189A; JPH03290916A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はマーク検出装置と露光装置に関し、特に電子
回路パターンが形成されているレチクルと該レチクル面
上のパターンを投影レンズにより投影するウエハとの位
置決めを高精度に行い、高い投影解像力で投影焼付けを
可能とした半導体素子製造に好適なマーク検出装置と露
光装置に関するものである。

（従来の技術）従来より半導体素子製造用の露光装置において、レチ
クル面上のパターンをウエハ面上に投影する際、高い投
影分解能を得る為にはレチクルとウエハとの位置合わせ
（アライメント）を高精度に行う必要がある。従来より
レチクルとウエハとの位置合わせを行うアライメント装
置を有した露光装置は種々と提案されている。

このうち例えば照明系で照明されたウエハ面上の位置
合わせ用のパターン（アライメントパターン又はアライ
メントマーク）を撮像素子面上に形成し、該撮像素子で
得られたアライメントマーク像を表示装置で観察したり
又は画像処理してアライメントを行っている。

このような露光装置ではウエハ面上のアライメントマ
ークを撮像素子面上に結像させる為の対物レンズのＮ・
Ａ及びウエハ面上のアライメントマークを照明する為の
照明系のコヒーレンス度σは予め設定され固定されてい
た。

（発明が解決しようとする問題点）従来のアライメント装置では、ウエハ面上のアライメ
ントマークの段差の高さに応じて、その像のコントラス
トが変化し、低段差構造の実素子プロセスになるとアラ
イメントマークの段差の高さが低くなり、観察系で観察
されるアライメントマーク像のコントラストが低くな
り、アライメントを高精度に行うのが大変難しという問
題点があった。

本発明はアライメントマークなどのマークを照明する
為の照明系のマーク側（光射出側）のNA（開口数）とこ
のマークを観察する為の観察系のマーク側（光入射側）
のNAのうち少なくとも一方をマークの段差の高さに合わ
せて適切に設定することにより、コントラストの高いマ
ーク像が得られ、例えば低段差構造の実素子プロセスを
経たウエハのアライメントマークであっても良好なるア
ライメント精度が得られ、高い投影分解能が得られるマ
ーク検出装置と露光装置の提供を目的とする。

即ち本発明で照明系のコヒーレント度σ（＝照明系
（照明光束）のNA/観察系のNA）を調整可能なマーク検
出装置と露光装置の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段）本発明の露光装置は、レチクル面上のパターンを投影
レンズにより該ウエハ面上に投影する露光装置におい
て、該ウエハ面上の位置合わせ用のマークが形成されて
いるマーク領域を観察用に照明する為の照明系の一部に
開口径可変の虹彩絞りを又は／及び該ウエハのマーク領
域を観察する為の観察系の一部に開口径可変の虹彩絞り
を配置し、これらの虹彩絞りの少なくとも一方の開口径
を該マークの段差の高さに応じて変化させることによ
り、該ウエハのマーク領域の観察状態を制御したことを
特徴としている。

又本発明は、マークが形成されているマーク領域を照
明する照明系と、該マーク領域を観察する為の観察系と
を有し、該照明系と該観察系の少なくとも一方の、該マ
ーク領域側のNA（開口数）を該マークの段差の高さに応
じて可変となるようにしたことを特徴としている。

更に本発明は、段差の高さｈが０＜ｈ≦0.05μｍのマ
ークの像を形成する装置であって、マークを照明する照
明系のコヒーレンス度σを０＜σ≦0.4としたことを特
徴としている。

（実施例）第１図は本発明の第１実施例の要部概略図である。

本実施例では所謂ステップアンドリピートタイプの縮
小投影露光装置の位置合わせ光学系に本発明を適用した
場合を示している。

図中101,101′は照明系の一部分、102,102′は観察系
の一部分である。同図では照明系の一部101,101′と観
察系102,102′の一部は左右対称に設けられているので
以下の説明では一方のみについて説明する。

１は光ファイバーであり、その光射出端からはアライ
メント用の光束が射出している。このアライメント用の
光束は、レチクル８面上のパターンをウエハ12面上に投
影露光する露光波長と同等の波長を有し、本実施例では
露光用の照明部の光源から導いている。２は開口径可変
の虹彩絞りであり、照明系101の瞳の大きさを制御して
照明系101の光射出側のNAを変化させてコヒーレンス度
σを変化させている。103は集光レンズ、３は視野絞り
であり、ウエハ12面及びレチクル８面と光学的に共役な
位置に設けられる。そして絞り３でレジストが塗布され
たウエハ12面上のアライメントマークとその近傍以外の
パターン領域を照明しないように制限している。

４は調光の為の調光部材であり、例えば照明系101の
光軸を回転軸として回転可能な偏光板や回転可能な各部
分の光透過率を変えた可変NDフィルター等から成ってい
る。５は偏光ビームスプリッターであり、照明系101に
よる照明光をウエハ12へ効率良く導くと共に観察系102
の撮像素子16面上にウエハ12からの反射光であるウエハ
信号を効率良く導いている。17はリレーレンズ、６は開
口径可変の虹彩絞りであり、対物レンズの瞳面に配置さ
れている。また、この絞り６は虹彩絞り２と光学的に共
役な位置に設けられている。

８はレチクル、９はレチクル８のパターンを1/5に縮
小してウエハ12上へ投影する縮小投影レンズ系、12はウ
エハである。ここでは対物レンズ７のレチクル８側のNA
（開口数）と投影レンズ系９のレチクル８側のNA（開口
数）とを一致させており、また投影レンズ系７のウエハ
12側のNA（開口数）は投影レンズ系７のレチクル８側の
NA（開口数）の５倍の大きさである。

10はλ/4板、11は虹彩絞りであり、投影レンズ系９の
瞳位置に配置されており、絞り11は虹彩絞り６と光学的
に共役な位置にある。13は投影レンズ系９の光軸方向及
び光軸と直交する平面で移動できるXYステージ105面上
に設けた基準マークである。14はダハプリズムであり、
アライメントマーク像を観察する際の左右の視野を一体
化している。15はエレクターであり、ダハプリズム14の
近傍に形成されるウエハ12面上のアライメントマーク像
をリレーレンズ104と共に拡大して撮像素子（CCD）16に
再結像している。

本実施例における照明系101はファイバー１から射出
した光束を虹彩絞り２を介して、集光レンズ103で集光
して視野絞り３で光束径を絞り、以下順に調光部材４、
偏光ビームスプリッター５、リレーレンズ17、ミラー1
8、虹彩絞り６、対物レンズ７、そしてミラー19を介し
てレチクル８面上のアライメントマークに入射させてい
る。そしてレチクル８を通過した光束で投影レンズ系９
を介してウエハ12面上のアライメントマークを照明して
いる。

次に本実施例における観察系102としてはウエハ２面
上のアライメントマーク及びその近傍からの反射光束
を、投影レンズ系９で集光し、レチクル８面近傍にウエ
ハアライメントマークを結像した後にレチクル８面上の
アライメントマークからの光束をと共に順にミラー19、
対物レンズ７、虹彩絞り６、ミラー18、そしてリレーレ
ンズ17を介し、偏光ビームスプリッター５で反射して、
アライメントマークの像をダハプリズム14の近傍に形成
する一方、この反射光束をダハプリズム14で反射した後
にリレーレンズ104、エレクター15により撮像素子16面
上に導光し、その面上にレチクル８及びウエハ12面上の
双方のアライメントマークを結像している。そして撮像
素子16面上に形成された双方のアライメントマーク像を
表示装置106で観察する。

又、撮像素子16からの双方のアライメントマーク像に
対応するビテオ信号は、不図示の制御装置に信号線を介
して入力される。この制御装置は、このビデオ信号を処
理することによりレチクル８とウエハ12の位置ずれ量を
決定し、このずれ量に対応した補正信号を生成する。レ
チクル８は不図示のレチクルステージに、ウエハ10は図
示されているXYステージ105に載置されており、両ステ
ージは各々対応する不図示のステージ駆動装置で移動せ
しめることができる。ここで、制御装置はこれらのステ
ージ駆動装置の各々と信号線により電気的に接続されて
おり、制御装置からの信号に応答して各ステージ駆動装
置が対応するステージを所定量、所定方向に変位せしめ
る。本実施例では制御装置からの補正信号がXYステージ
105駆動用のステージ駆動装置に入力され、この駆動装
置がレチクル８に対するウエハ10の位置ずれを補正する
ようにXYステージ105を移動せしめて、ウエハ10の位置
決めを行う。

本実施例ではレチクル８とウエハ12のアライメントマ
ークをTTL−ONAXIS方式で検出し、明視野画像を処理す
ることでアライメントを行っている。

第２図は撮像素子16面上に形成されるアライメントマ
ーク像の説明図である。同図において斜線で示すマーク
像21,23,24,26及び21′,23′,24′,26′はレチクル８面
上の左右のアライメントマークの像（レチクル信号）、
マーク像22,25及び22′,25′はウエハ12面上の左右のア
ライメントマークの像（ウエハ信号）である。suffixの
有無が第１図の左右の観察系に対応している。27は撮像
素子16の撮像範囲、28はダハプリズム14の稜線である。

第３図は第２図に示すアライメントマーク像21,22,23
を検出方向に走査したときの出力信号である。レチクル
アライメントマーク像21,23は投影レンズ系９内のλ/4
板による周知の作用によってウエハ12からの反射光で照
らされた影絵となる為に暗い。一方ウエハ信号22は工程
によって変化する。

本実施例では特に低段差のウエハのときにウエハ信号
のコントラストが低く十分なアライメント精度が得られ
ない場合、照明系101の虹彩絞り２と観察系102の対物レ
ンズ７の虹彩絞り６の少なくとも一方の虹彩絞りの開口
径を変えている。即ち照明系のコヒーレンス度σを小さ
くし、アライメントマーク像のコントラスト（又はアラ
イメント精度と関係づけられている評価値）が最大とな
る絞り径を選択している。

即ち、本出願人は対物レンズのNAと照明系のコヒーレ
ンス度σが、実工程のウエハ上のアライメントマークを
観察する時には、その工程毎に最適のNA及びコヒーレン
ス度σがあることを見出した。

そこで観察系102の一要素である対物レンズ７の瞳に
開口部の大きさが可変である虹彩絞り６を配置し、対物
レンズのNAを可変とするか又は照明系101の集光レンズ1
03の瞳面に開口部の大きさが可変の虹彩絞り２を配置し
て、照明系のコヒーレンス度σを可変とするか、少なく
とも一方の開口部の大きさを変化させている。

このときの開口径は実工程のオフセット確認用のパイ
ロットウエハを用いて、各工程毎にある評価値が最良と
なるべく決定される。ある評価値としては例えば像のコ
ントラスト、ウエハがディフォーカスしたときの像のシ
フト量、あるいはアライメント精度と関係づけられた諸
量というものになる。

そして、各工程毎に必要とあらば絞り２の開口径を変
えて、レチクル８とウエハ12の各アライメントマークを
撮像して互いの位置関係を検出し、その検出結果に応じ
たレチクル８とウエハ12の位置合せ露光を行なう。

本実施例では開口径の決定作業を各工程毎に行なって
いるが、各ロット毎、各ウエハ毎に行なってもいい。各
ウエハ毎に行う場合には、パイロットウエハを使用する
ことなく、実際に半導体デバイスを生成する為の実素子
ウエハを使用する。

ただし、このような開口径の変更を行う場合には、比
較的段差が高いアライメントマークが形成されたウエハ
に対して設定してある基準条件（例えば対物レンズのNA
は投影レンズ系のレチクル側のNA、照明系のコヒーレン
ス度σは0.7）から、レチクル８とウエハ12の位置ずれ
検出時の条件が変わることになるので、基準条件時に定
めていた位置ずれ検出位置合せの為のオフセット量が変
動するかもしれない。従って、このようなオフセット量
の変動に対処する為に開口径を変更した場合には変更
後、前述のパイロットウエハに対する位置合せ露光を行
ない、互いに重ね合された回路パターン同志（一方は予
めウエハに形成されてあるパターン、他方は露光により
転写されたパターン）のずれを検出し、この検出結果か
らオフセット量の再設定を行なう。そして開口径を変更
して、位置ずれ検出露光を行う工程のウエハに対しては
位置ずれ検出時のオフセット量として、この再設定した
ものを使用する。

表−１は本実施例において高さ0.02μｍ程度といった
段差の小さい、窒化膜を施したアライメントマークを有
する実工程ウエハを用いたときの、このアライメントマ
ーク像のコントラストの、照明系のコヒーレンス度σに
よる変化の実測値である。コヒーレンス度σの値を0.7
→0.3にするとコントラストが約２倍向上することがわ
かる。

ここで対物レンズのNAは投影レンズ系９のウエハ側に
換算して0.43で一定である。虹彩絞り２の大きさの変化
に応じて撮像素子16で受ける光量は変化するが、撮像素
子16から出力される信号のレベルに基づいて調光部材４
を回転させてウエハアライメントマークを照明する照明
光の光量がほぼ一定になるように調光する。又は予め虹
彩絞り２の開口面積の変化に伴う光量変化を求めてお
き、虹彩絞り２と連動させて調光部材４を回転させて照
明光の光量を一定に保つようにしている。

２つの虹彩絞り径の最適化はその工程のパイロットウ
エハ等で行い、その工程内での照明系のコヒーレンス度
σを決定する。

このようにアライメントマークの段差の小さいウエハ
に対して、アライメントマークの段差が大きなウエハよ
りもコヒーレンス度σが小さくなるようコヒーレンス度
σの値を変化させることによりアライメントマーク像の
コントラストを上げている。

本出願人の検討によれば、段差の高さｈが０＜ｈ≦0.
05μｍ程度のウエハアライメントマークをもつウエハに
対して、コヒーレンス度σを０＜σ≦0.4程度にするこ
とにより、アライメントマークの像のコントラストを良
好に向上させることがわかった。

第４図は本発明の第２実施例の要部概略図である。

本実施例ではウエハ面上のアライメントマークを観察
する観察系として、投影レンズ系を介さないで行う所謂
オフアクシス光学系を用い、観察系中に基準マークを設
けてアライメントを行う場合を示している。本実施例に
おいて第１図で示した要素と同一要素には同符番を付し
ている。

本実施例ではファイバー１から射出した光束を虹彩絞
り２を介し集光レンズ３で集光し、調光部材４で調光
し、偏光ビームスプリッター５で反射させている。そし
てリレーレンズ17、虹彩絞り６を介し、対物レンズ７に
よりウエハ12面上のアライメントマークを照明してい
る。これにより照明系を構成している。そしてウエハ12
面上のアライメントマークを対物レンズ７で集光し虹彩
絞り６、リレーレンズ17そして偏光ビームスプリッター
５を介し基準マーク91面上に結像している。

基準マーク91はレチクル８に対し予め位置関係を知っ
ておく。その方法としては例えばレチクル８を観察する
光学系は省略してあるがその光学系と観察系102によっ
てレチクル８と基準マーク91の相対位置関係を知ってお
いて、実際の焼付けオフセットと比較すれば良い。基準
マーク91は例えば第５図に示すようなマーク121,123,12
4,126より成っており、この基準マーク91面上に第２図
に示すのと同様にしてウエハ12面上のアライメントマー
クを形成し、双方のアライメントマークをエレクター15
により撮像素子16面上に結像している。これにより観察
系を構成している。そして基準マーク91に対してウエハ
12をアライメントし、間接的にレチクル８とウエハ12と
のアライメントを行っている。

本実施例におけるウエハアライメントマーク像のコン
トラスト向上の為の動作は前記実施例と同じであり、前
記実施例と同様の効果を得ることができる。

又、本実施例のマーク観察装置を使用し、投影レンズ
系９を介してウエハ12のアライメントマークを観察する
ように構成することもできる。

以上の各実施例においては照明系のコヒーレンス度σ
を、虹彩絞り２の開口の径を変えて調整していたが、虹
彩絞り６の径を変えてコヒーレンス度σの径を変えた
り、また絞り2,6の双方の開口の径を調整してコヒーレ
ンス度σを変えてもいい。

更に、このように虹彩絞りの開口径を変える代りに、
集光レンズを変倍光学系とし、虹彩絞り２の対物レンズ
７の瞳面への結像倍率（光源像）の大きさを変えて、コ
ヒーレンス度σを変えることもできる。こうすれば照明
光の光量の変化が小さくなる。

以上の各実施例においてウエハを照明する際、露光光
の波長と同一でなく異なる波長の光束を用いて照明して
も良い。例えばHe−Neレーザー、ハロゲンランプ、キセ
ノンランプ、LED等の光源からの単色又は多色の光束を
用いても、ウエハとレチクルとのアライメントが可能な
光束であればどのような光束を用いても良い。又ウエハ
面上のアライメントマークの観察を明視野の代わりに暗
視野で行うようにしても良い。

（発明の効果）本発明によればウエハ面上のアライメントマークなど
の段差マークを照明する照明系のコヒーレンス度σをマ
ークの段差の高さに応じて変化させることにマークの段
差の高さに係わらず常に良好なコントラストのマーク像
を形成できる。従って例えば、低段差構造の実素子プロ
セスを経たウエハのアライメントマークを観察する場合
であっても、コントラストの高いアライメントマーク像
が観察出来、高精度なアライメントが出来、高い投影分
解能が容易に得られる半導体素子製造に好適な露光装置
を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の要部概略図、第２図は第
１図の一部分の説明図、第３図は第２図のアライメント
マーク像の検出方向の積分波形図、第４図は本発明の第
２実施例の要部概略図、第５図は第４図の一部分の説明
図である。図中、101は照明系、102は観察系、1,1′はファイバ
ー、2,2′,6,6′は虹彩絞り、103,103′は集光レンズ、
3,3′は視野絞り、4,4′は調光部材、5,5′は偏光ビー
ムスプリッター、17,17′,104はリレーレンズ、18,1
8′,19,19′はミラー、7,7′は対物レンズ、８はレチク
ル、９は投影レンズ、12はウエハ、14はダハプリズム、
15はエレクター、16は撮像素子、91は基準マーク、21,2
3,24,26,21′,23′,24′,26′はレチクルアライメント
マーク、22,25,22′,25′はウエハアライメントマーク
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/027

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レチクル面上のパターンを投影レンズによ
り該ウエハ面上に投影する露光装置において、該ウエハ
面上の位置合わせ用のマークが形成されているマーク領
域を観察用に照明する為の照明系の一部に開口径可変の
虹彩絞りを又は／及び該ウエハのマーク領域を観察する
為の観察系の一部に開口径可変の虹彩絞りを配置し、こ
れらの虹彩絞りの少なくとも一方の開口径を該マークの
段差の高さに応じて変化させることにより、該ウエハの
マーク領域の観察状態を制御したことを特徴とする露光
装置。
【請求項２】マークが形成されているマーク領域を照明
する照明系と、該マーク領域を観察する為の観察系とを
有し、該照明系と該観察系の少なくとも一方の、該マー
ク領域側のNA（開口数）を該マークの段差の高さに応じ
て可変となるようにしたことを特徴とするマーク検出装
置。
【請求項３】前記照明系と前記観察系は互いに対物レン
ズを共有しており、前記観察系は前記マーク領域からの
反射光を該対物レンズを介して検出し、前記位置合せ用
マークを観察することを特徴とする請求項２記載のマー
ク検出装置。
【請求項４】段差の高さｈが０＜ｈ≦0.05μｍのマーク
の像を形成する装置であって、マークを照明する照明系
のコヒーレンス度σを０＜σ≦0.4としたことを特徴と
するマーク検出装置。